ITTO20110997A1 - Apparato di sicurezza e protezione per impianti a corrente continua e dispositivo di protezione per tali apparati - Google Patents

Description

Apparato di sicurezza e protezione per impianti a corrente continua e dispositivo di protezione per tali apparati Settore della Tecnica

La presente invenzione si riferisce, in generale, ad un apparato di sicurezza e protezione da utilizzare su impianti a corrente continua (DC) in cui sia previsto di gestire valori di tensione elevati, ad esempio superiori a quelli tollerabili da persone addette agli interventi di manutenzione .

In particolare, la presente invenzione si riferisce ad apparati di sicurezza e protezione da utilizzare su impianti di generazione di energia a pannelli fotovoltaici comprendenti stringhe fotovoltaiche i cui capi hanno valori di tensione compresi fra 120-1000 V in DC ed a tali tipi di impianto si fa di qui in avanti riferimento, per comodità di descrizione .

Arte Nota

È noto che gli impianti di generazione di energia a pannelli fotovoltaici comprendono, normalmente, una o più stringhe di pannelli disposte in parallelo e collegate ad un inverter atto a trasformare la corrente continua in corrente alternata .

Ciascuna stringa, comprende, in genere una pluralità di pannelli, comprendenti celle fotovoltaiche, disposti in serie per cui, nell'arte nota, ai capi di ciascun pannello sono presenti tensioni comprese fra 20-50 V in DC e, ai capi delle stringhe, sono presenti valori di tensione compresi fra 120-1000 V in DC.

Le tensioni ai capi dei singoli pannelli non sono considerate, in genere, pericolose per le persone addette all'impianto, mentre le tensioni ai capi delle stringhe sono considerate pericolose per le persone addette in quanto superiori ad un valore limite che, ad esempio in questa particolare esigenza è stato individuato in 120 V circa.

Una esigenza comune a tutti gli impianti con stringhe di pannelli con celle fotovoltaiche (stringhe fotovoltaiche) è che, in caso di interventi di manutenzione ordinaria o di emergenze, si rende necessario eliminare la tensione ai capi delle stringhe fotovoltaiche, in particolare in presenza di luce solare.

Una soluzione nota al problema è quella di prevedere che in caso di interventi sull'impianto la tensione possa essere ridotta cortocircuitando i capi di ciascun pannello appartenente alla stringa fotovoltaica.

Tale soluzione presenta, però, grossi inconvenienti in quanto risulta costosa e di elevata complessità, in particolare nel caso in cui debba essere gestita da remoto l'eliminazione della tensione ai capi di tutti i pannelli appartenenti ad una o più stringhe.

Un'ulteriore soluzione nota prevede che ciascuna stringa fotovoltaica sia protetta da fusibili per sovracorrenti e scaricatori di tensione per sovratensioni.

In accordo a tale soluzione nota, è previsto che a valle delle stringhe collegate in parallelo, mediante un quadro parallelo stringa, venga previsto un dispositivo isolatore, comandato da locale o da remoto, atto ad isolare elettricamente le stringhe collegate in parallelo dall'inverter o dal dispositivo di utilizzazione.

Questa soluzione nota permette di eliminare il problema delle tensioni pericolose in prossimità del1'inverter ma lascia irrisolto il problema dei valori di tensione ai capi delle singole stringhe fotovoltaiche.

In generale, la Richiedente ha osservato che l'arte nota non presenta soluzioni in grado di risolvere in modo efficace il problema di gestire la tensione ai capi delle stringhe fotovoltaiche in modo da garantire sicurezza alle persone addette all'impianto nel caso di interventi di manutenzione e/o di emergenza.

Descrizione dell'Invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di risolvere i problemi sopra esposti dell'arte nota.

Raggiunge lo scopo l'apparato di sicurezza e protezione per impianti a corrente continua come rivendicato.

La presente invenzione riguarda anche un dispositivo di protezione utilizzabile negli apparati secondo l'invenzione.

Le rivendicazioni costituiscono parte integrante dell'insegnamento tecnico qui fornito in merito all'invenzione .

In accordo ad una caratteristica di una forma preferita di realizzazione l'apparato di sicurezza e protezione per impianti a corrente continua è collegato a poli dell'impianto e comprende, a monte, una pluralità di primi contattori atti a cortocircuitare i poli dell'impianto e, a valle, almeno un secondo contattore atto ad aprire il collegamento dei poli così da azzerare i valori di tensione a monte ed al contempo ad interrompere il collegamento a valle verso il o i dispositivi di utilizzazione.

In accordo ad un'ulteriore caratteristica della presente invenzione, i primi contattori sono del tipo a contatti normalmente chiusi ed il secondo contattore è del tipo a contatti normalmente aperti.

In accordo ad un'altra caratteristica della presente invenzione, nell'apparato sono previsti mezzi per attivare in modo automatico il secondo contattore con un anticipo predeterminato rispetto ai primi contattori.

Descrizione Sintetica delle Figure

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiare dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle annesse figure, in cui elementi indicati con uno stesso o un simile riferimento numerico indicano elementi che hanno simile funzionalità e costruzione ed in cui:

Fig. 1 rappresenta schematicamente un sistema secondo l'invenzione;

Fig. 2 rappresenta un particolare di una variante realizzativa del sistema secondo l'invenzione; e

Figg. 3a, 3b, 3c rappresentano schemi di realizzazione di un contattore a contatti normalmente chiusi.

Forme Preferite di Realizzazione

Con riferimento alla Fig. 1 un impianto 10, ad esempio a pannelli fotovoltaici il, in accordo alla forma preferita di realizzazione, comprende una pluralità di gruppi di pannelli (stringhe fotovoltaiche) ila, llb, ile, ..., U n collegati per mezzo di coppie di cavi di collegamento (coppie di collegamento) 12a, 12b, 12c, ..., 12n disposte in parallelo, ad esempio, ad un quadro o apparato di parallelo stringa 14.

Le coppie di collegamento o poli delle stringhe sono collegati in parallelo fra loro mediante rispettivi collegamenti 35a e 35b, ad esempio all'interno del quadro 14, collegati, a valle del quadro, ad un dispositivo di utilizzazione 15, ad esempio un inverter, noto in sé.

Preferibilmente i poli delle stringhe 12a, 12b, 12c, ..., 12n sono associati, all'interno del quadro 14 e a monte dei collegamenti in parallelo 35a e 35b, a rispettivi componenti, ad esempio fusibili di stringa (fusibili) 21a, 21b, 21c, ..., 21n atti a proteggere, in modo noto, l'apparato, in caso di sovracorrenti.

Preferibilmente, è anche previsto, all'interno del quadro e a valle dei collegamenti in parallelo dei poli delle stringhe, un circuito 27, atto a scaricare la tensione ai capi de11 'inverter 15, in caso di sovratensioni. Questo circuito scaricatore di tensione 27, in altre forme di realizzazione, può anche non essere previsto.

In accordo alla forma preferita di realizzazione è previsto che, all'interno del quadro 14 ed a monte dei fusibili 21a, 21b, 21c, ..., 21n venga collegato fra i poli di ciascuna delle stringhe un rispettivo dispositivo contattore (contattore) 22a, 22b, 22c, ..., 22n.

I contattori sono atti, in caso di interventi di manutenzione ordinaria o straordinaria, a mettere in corto circuito i poli delle stringhe, singolarmente o in blocco, ad esempio con comandi da locale o da remoto.

Tale operazione è atta, in particolare nel caso di pannelli fotovoltaici 11, a generare ai poli delle stringhe una corrente di poco superiore al valore nominale, ad esempio superiore del 10-20 % rispetto al valore nominale, ed a portare la tensione ai poli delle stringhe ad un valore sostanzialmente uguale a zero e dunque non pericoloso per persone addette alla manutenzione delle singole stringhe fotovoltaiche o di tutte Ila, llb, Ile, ..., Un.

I contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n, preferibilmente, sono disposti a monte dei rispettivi fusibili allo scopo di evitare, come facilmente comprensibile per un tecnico del settore, che un intervento dei fusibili impedisca l'azione dei contattori associati.

Ancora più preferibilmente, i contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n sono, ad esempio, del tipo a contatti o poli normalmente chiusi, i.e. con i contatti normalmente chiusi (in cortocircuito) in assenza di tensione, come verrà di seguito descritto in dettaglio.

In accordo alla forma preferita di realizzazione è anche previsto che, all'interno del quadro 14 ed a valle dei collegamenti in parallelo delle stringhe sia previsto un ulteriore dispositivo contattore 25 configurato per aprire i collegamenti elettrici verso 1'inverter 15.

In accordo alla forma di realizzazione descritta, il contattore 25 è, ad esempio, un contattore a contatti normalmente aperti, i.e. con i contatti normalmente aperti (circuito aperto) in assenza di tensione, come verrà di seguito descritto in dettaglio.

La configurazione dell'apparato 14, come descritto, permette di mettere in sicurezza l'impianto 10 portando a zero sia le tensioni ai poli di ciascuna stringa fotovoltaica che la tensione a valle dell'apparato 14.

Preferibilmente, l'apparato 14 ha i componenti ed i dispositivi contenuti o compresi in un unico quadro, in particolare per ottimizzare i collegamenti fra i poli delle varie stringhe, ma nulla vieta, senza uscire dall'ambito di quanto descritto e rivendicato, che i vari componenti e dispositivi possono essere raggruppati in quadri separati pur mantenendo la configurazione o disposizione descritta.

Nella forma preferita di realizzazione è anche previsto che l'impianto 10 ed in particolare il quadro 14 comprenda dispositivi di tipo noto per monitorare, ad esempio, valori di corrente e tensione delle stringhe e valori di temperatura dei pannelli.

In particolare, è previsto che, in caso di manutenzione ordinaria o straordinaria, sia segnalato con certezza che: - 1'inverter 15 sia isolato elettricamente;

- i poli delle stringhe siano in corto circuito.

La prima segnalazione è ottenuta, ad esempio, mediante il contattore di apertura 25, che, preferibilmente, è predisposto a segnalare (tramite contatti ausiliari) il fatto che i contatti siano aperti o chiusi.

La seconda segnalazione è ottenuta, ad esempio, monitorando il fatto che le stringhe in corto circuito siano percorse da corrente. Tale funzione può essere ottenuta, ad esempio, mediante dispositivi a relè 32a, 32b, 32c, ..., 32n disposti in serie ai contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n ed atti a monitorare la corrente che percorre le stringhe.

L'assenza di una qualsiasi corrente, infatti, è tale da segnalare che i contattori non hanno cortocircuitato le stringhe 12a, 12b, 12c, ..., 12n.

In accordo ad una variante realizzativa del sistema 10, come descritto, è previsto che le stringhe fotovoltaiche ila, llb, ile, ..., U n siano associate, ad esempio, a rispettive cassette o mezzi di isolamento 33a, 33b, 33c, ..., 33n atti a isolare sottoinsiemi 34 delle stringhe fotovoltaiche, per motivi di manutenzione ordinaria o straordinaria.

Ciascuna cassetta 33a, 33b, 33c, ..., 33n, nella forma preferita di realizzazione, comprende uno o più contattori 33, preferibilmente a contatti normalmente aperti, disposti in modo che ciascun sottoinsieme 34 abbia poli con valori di tensione inferiore o uguale a valori considerati tollerabili da persone addette alla manutenzione.

I contattori 33, preferibilmente, sono del tipo a contatti normalmente aperti in quanto, essendo atti a mantenere la continuità dei collegamenti solo se alimentati elettricamente, garantiscono maggiore sicurezza al sistema, come facilmente comprensibile per un tecnico del settore.

Naturalmente, ad esempio per motivi di sicurezza, è anche previsto che i contattori 33 siano associati a rispettivi componenti di segnalazione atti a segnalare, in modo noto, se i contattori sono aperti o chiusi.

In accordo ad un ulteriore forma di realizzazione è previsto che l'impianto possa comprendere le sole cassette di isolamento 33a, 33b, 33c, ..., 33n, senza richiedere i contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n.

Come descritto sopra, nella forma preferita di realizzazione è previsto che i contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n siano del tipo a poli normalmente chiusi e che il contattore di apertura 25 sia a poli normalmente aperti.

Ancora più preferibilmente, in accordo ad una possibile implementazione della presente invenzione è anche previsto che i contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n abbiano una struttura interna perfezionata rispetto a contattori di uguale tipo utilizzabili in DC per tensioni elevate, i.e. comprese, ad esempio, fra 120 e 1000 V.

Come noto, i dispositivi contattori in DC sono normalmente previsti per tensioni basse, ad esempio inferiori a 120 V, in quanto occorre avere una distanza in aria elevata fra i poli allo scopo di evitare la formazione di archi atti a mantenere attivo un flusso di corrente elettrica anche a poli aperti.

Per tensioni elevate, è previsto che i contattori sfruttino in corrispondenza di ogni contatto la cosiddetta regola di Fleming secondo cui l'applicazione di un campo magnetico con un determinato verso A (Fig. 3a, 3b e 3c) trasversale al flusso della corrente elettrica avente un determinato verso B, permette di allungare l'arco in un verso C ortogonale sia al verso A che al verso B e dunque permette di eliminare il rischio della formazione di archi di mantenimento del flusso di corrente elettrica in DC.

A tale scopo, nella forma preferita di realizzazione, ciascun contattore di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n comprende, nella forma preferita di realizzazione, una pluralità di moduli contattori (moduli), ad esempio due moduli contattori 101 e 102 fra loro adiacenti e collegati in serie.

La predisposizione di più moduli adiacenti disposti in serie è considerata preferibile nel caso di valori di tensione ai poli delle stringhe compresi fra 120 e 1000 V, in quanto permette di ripartire la tensione fra i vari moduli ed evitare la formazione di archi, fatto altamente probabile nel caso di circuiti in corrente continua (DC).

Naturalmente, per quanto l'esempio di realizzazione sia illustrato con due moduli, va da sé che nulla cambia nel caso di un solo modulo o di più di due moduli contattori.

Ciascun modulo 101, 102 comprende primi contatti 111, ad esempio una coppia di contatti fissi associata ad un supporto fisso 112 fissato solidalmente ad un telaio, e secondi contatti 121, ad esempio una coppia di contatti mobili atta ad essere movimentata da un elemento elastico 122, ad esempio una molla atta ad accostare la seconda coppia 121 alla prima coppia 111 di contatti e quindi atta a mantenere la connessione elettrica fra i contatti.

La molla 122 è associata ad un supporto 123 comandato, in modo noto, ad esempio da un circuito elettrico di azionamento 128 in corrente continua, atto a superare la forza della molla 122 ed a mantenere distanziate le coppie di contatti in presenza di corrente elettrica di azionamento nel circuito elettrico 128. Naturalmente l'azionamento dei contatti mobili dei vari moduli potrebbe anche essere di tipo manuale, senza nulla togliere alle caratteristiche del contattore di corto circuito.

Nella forma preferita di realizzazione, allo scopo di sfruttare al meglio la regola di Flaming, è previsto che rispettivi magneti 115, ad esempio magneti permanenti, siano predisposti in corrispondenza dei contatti fissi 111 di ciascun modulo 101 e 102, con polarità atte ad interrompere il flusso della corrente; ad esempio i magneti possono essere predisposti con polarità invertita in funzione del verso del flusso della corrente elettrica previsto, rispettivamente, nel primo modulo 101 e nel secondo modulo 102.

Preferibilmente, i magneti 115, di tipo permanente, sono trattenuti all'interno di un contatto sagomato 114, ad esempio a forma di "U", atto a realizzare il supporto 112 del primo contatto o contatto fisso 111.

La struttura così realizzata risulta estremamente compatta oltre che tale da mantenere i magneti permanenti 115 a diretto contatto con le coppie di contatti fissi 111.

In uso, la presenza del campo magnetico A garantisce che, nel caso di assenza di corrente elettrica nel circuito elettrico 128, le coppie di contatti 121 siano tenute accostate alle coppie di contatti 111 (condizione di corto circuito) e che in presenza di corrente elettrica nel circuito elettrico 128 le coppie di contatti 121 siano tenute distanziate dalle coppie di contatti 111 (condizione di circuito aperto).

Il passaggio dalla condizione di corto circuito a quella di circuito aperto, grazie alla struttura descritta, avviene in modo che l'arco in aria si sviluppi in direzione ortogonale al verso del flusso di corrente elettrica di corto circuito delle stringhe 12a, 12b, 12c, ..., 12n.

Il funzionamento dell'impianto 10 fin qui descritto ed in particolare del pannello 14 è il seguente.

Nel caso di intervento di manutenzione ordinaria o straordinaria, è previsto che da locale e/o da remoto venga comandata sia l'apertura dei collegamenti verso 1'inverter 15, azionando il contattore di apertura 25, che il cortocircuito di una o più stringhe 12a, 12b, 12c, ..., 12n mediante i rispettivi contattori di cortocircuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n collegati alle stringhe.

In accordo alla forma preferita di realizzazione è sufficiente l'assenza di tensione di azionamento nei contattori 25 e 22a, 22b, 22c, ..., 22n per provocare:

l'azionamento del contattore di apertura 25, che è, preferibilmente a poli normalmente aperti; e

- l'azionamento dei singoli contattori di cortocircuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n, che sono, preferibilmente, a poli normalmente chiusi.

In accordo ad un ulteriore perfezionamento dell'impianto 10 e, in particolare, del quadro 14, è previsto che, nel caso di intervento che preveda una completa disattivazione dell'impianto 10, l'apertura dei collegamenti verso 1'inverter 15 venga effettuata qualche istante prima, ad esempio 10 o più millisecondi, di cortocircuitare le stringhe 12a, 12b, 12c, ..., 12n. Ciò, infatti, è conveniente per evitare che 1'inverter 15 venga danneggiato da una repentina caduta di tensione a causa del cortocircuito delle stringhe. Per ottenere una tale sequenza è possibile, nel caso di alimentazione in DC dei contattori del quadro 14, prevedere di alimentare direttamente il contattore di apertura 25 e mediante un circuito di ritardo, noto in sé, comprensivo, ad esempio, di almeno un diodo e/o un condensatore, i contattori di corto circuito 22a, 22b, 22c, ..., 22n.

Nella descrizione si è fatto, preferibilmente, riferimento al fatto di prevedere contattori di cortocircuito del tipo a poli normalmente chiusi e contattori di apertura del tipo a poli normalmente aperti.

La soluzione di cui sopra, considerata ottimale, non è però necessaria all'invenzione, in quanto i contattori di corto circuito ed il contattore di apertura possono anche essere di un qualsiasi tipo previsto in commercio per operare a tensioni elevate in DC.

Naturalmente, modifiche ovvie e/o varianti sono possibili alla descrizione di cui sopra, nei componenti, elementi circuitali e colleqamenti, così come nei dettaqli della circuiteria, della costruzione illustrata e del metodo di operare senza staccarsi dall'invenzione come precisata nelle rivendicazioni sequenti.

Claims (14)

1. Rivendicazioni 1. Apparato di sicurezza e protezione per impianti a corrente continua, in particolare per impianti comprendenti pannelli (11) con stringhe fotovoltaiche (Ila, llb, Ile, ..., Un), comprendente - una pluralità di coppie di collegamento (12a, 12b, 12c, ..., 12n), ciascuna coppia avendo valori di tensione in corrente continua superiori a quelli tollerabili da una persona umana; caratterizzato da - una pluralità di primi contattori in corrente continua (22a, 22b, 22c, ..., 22n) collegati alle rispettive coppie e configurati per cortocircuitare ciascuna coppia; - un collegamento in parallelo (35a, 35b) delle coppie a valle di detta pluralità di primi contattori; almeno un secondo contattore in corrente continua (25) collegato a valle di detto collegamento in parallelo (35a, 35b) e configurato per aprire il collegamento in parallelo (35a, 35b) di dette coppie.
2. 2. Apparato secondo la rivendicazione 1 in cui detta pluralità di primi contattori in corrente continua (22a, 22b, 22c, ..., 22n) comprende contattori del tipo a contatti normalmente chiusi.
3. 3. Apparato secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui detto almeno un secondo contattore (25) è un contattore del tipo a contatti normalmente aperti.
4. 4. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui mezzi sono previsti per attivare in modo automatico detto secondo contattore (25) con un anticipo di un tempo predeterminato rispetto a detta pluralità di primi contattori (22a, 22b, 22c, ..., 22n).
5. 5. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui dette coppie sono collegabili a poli di stringhe fotovoltaiche (Ila, llb, Ile, ..., Un) ed in cui detti valori di tensione sono superiori o uguali a 120 V.
6. 6. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detti primi contattori e detto almeno un secondo contattore sono compresi in un unico quadro (14).
7. 7. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui detti primi contattori sono associati a rispettivi componenti di segnalazione atti a segnalare il cortocircuito della rispettiva coppia mediante indicazioni di presenza di corrente.
8. 8. Impianto a corrente continua, in particolare impianto comprendenti pannelli (11) con stringe fotovoltaiche, comprendente un apparato come rivendicato nelle rivendicazioni 1 a 7.
9. 9. Impianto secondo la rivendicazione 8 in cui dette stringhe fotovoltaiche (H a, llb, Ile, ..., lln) sono associate a mezzi di isolamento (33) atti a isolare dette stringhe in sottoinsiemi di stringhe fotovoltaiche aventi valori di tensione di sottoinsieme compresi in un range tollerabile da una persona umana.
10. 10. Impianto secondo la rivendicazione 9 in cui detti mezzi di isolamento sono contattori del tipo a contatti normalmente aperti.
11. 11. Impianto secondo la rivendicazione 9 o 10 in cui detti valori di tensione di sottoinsieme sono inferiori o uguali a 120 V.
12. 12. Contattore in corrente continua a contatti normalmente chiusi comprendente - almeno un modulo (101, 102) avente - primi contatti (111) associati ad un supporto fisso (112); - secondi contatti (121) atti ad essere movimentati in modo da essere accostati a detti primi contatti (111) per generare un flusso di corrente in corrente continua in versi predeterminati o ad essere distanziati dagli stessi primi contatti (111) per interrompere detto flusso di corrente continua; caratterizzata da ciò che ciascuno di detti primi contatti è associato ad almeno un magnete permanente (115) predisposto in corrispondenza di ciascun di detti primi contatti (111), trattenuto da detto supporto fisso (112) ed atto a generare un campo magnetico trasversale a detto flusso di corrente continua.
13. 13. Contattore in corrente continua secondo la rivendicazione 12 in cui detto almeno un magnete permanente è trattenuto all'interno di un contatto sagomato (114) atto a realizzare il supporto fisso di ciascuno di detti primi contatti.
14. 14. Contattore in corrente continua secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12 a 13 in cui detti moduli sono almeno due (101, 102), sono adiacenti fra loro e sono collegati in serie; ed in cui i magneti permanenti di ciascun di detti moduli adiacenti sono predisposti con polarità atte ad interrompere detto flusso di corrente continua.